不同磁路电子回旋共振离子源引出实验

空间推进所用的电子回旋共振离子源(ECRIS)应具有体积小、效率高的特点. 本文研究的ECRIS使用永磁体环产生磁场, 有效减小了体积, 该离子源利用微波在磁场中加热电子, 电子与中性气体发生电离碰撞产生等离子体. 磁场在微波加热电子的过程中起关键作用, 同时影响离子源内等离子体的约束和输运. 通过比较四种磁路结构离子源的离子电流引出特性来研究磁场对10 cm ECRIS性能的影响. 实验发现: 在使用氩气的条件下, 特定结构的离子源可引出160 mA的离子电流, 最高推进剂利用率达60%, 最小放电损耗为120 W·A^-1; 所有离子源均存在多个工作状态, 工作状态在微波功率、气体流量、引出电压变化时会发生突变. 离子源发生状态突变时的微波功率、气体流量的大小与离子源内磁体的位置有关. 通过比较不同离子源的引出离子束流、放电损耗、气体利用率、工作稳定性的差异, 归纳了磁场结构对此种ECRIS引出特性的影响规律, 分析了其中的机理. 实验结果表明: 保持输入微波功率、气体流量、引出电压不变时, 增大共振区的范围、减小共振区到栅极的距离, 离子源能引出更大的离子电流; 减小共振区到微波功率入口、气体入口的距离能降低维持离子源高状态所需的最小微波功率和最小气体流量, 提高气体利用率, 但会导致放电损耗增大. 研究结果有助于深化对此类离子源工作过程的认识, 为其设计和性能优化提供参考.     

微型电子回旋共振离子源的全局模型

微型电子回旋共振(electron cyclotron resonance, ECR)离子源在紧凑型离子注入机、小型中子管、微型离子推进器等领域有着十分广泛的应用.为了深入认识微型ECR离子源的工作机理,本文以北京大学自主研制的一款微型氘离子源作为研究对象,以氢气和氘气放电形成的等离子体为例,发展了一种基于粒子平衡方程的全局模型.研究结果表明,该离子源束流成分与离子源的运行气压和微波功率有着很强的依赖关系.对于氢气放电等离子体,微波功率低于100 W时,离子源可以分别在低气压和高气压情况下获得离子比超过50%的H~+₂离子束和H~+₃离子束;当微波功率高于100 W时,可以在很宽的运行气压范围内,获得质子比超过50%的束流.因此,提高微波功率是提高微型离子源质子比的关键.对于氘气放电等离子体, 3种离子比例对运行气压和微波功率的依赖关系与氢气放电等离子体的规律基本一致.但是在相同的运行条件下, D~+比例比H~+比例高10%—25%.也就是说,在微型氘离子源的测试和优化过程中,可以利用氢气代替氘气进行实验,并将质子比测量结果作为相同条件下氘离...     

电子回旋共振微波等离子体离子束刻蚀技术

电子回旋共振微波等离子体技术在薄膜制备技术、材料的表面处理、离子源和等离子体刻蚀等方面得到了广泛的应用，取得了长足的进展。这些特点在ICF实验制靶过程中有重要应用，如调制靶等，而且加工精度高，能满足ICF制靶的要求。基于在未来的ICF实验中对各种有机膜制备、各种调制靶的制备需求，开展了电子回旋共振微波等离子体技术在薄膜制备和等离子体刻蚀方面的预研工作。     

电子回旋共振等离子体技术

微波电子回旋共振是一种先进的低温等离子体技术，它具有优良的综合指标，提高了微电子，光电子集成电路制造工艺等应用领域中的低温等离子体加工水平，文章介绍了电子回旋共振等离子体产生原理，特点及重要的实验研究结果。     

微型电子回旋共振离子推力器离子源结构优化实验研究

微型电子回旋共振(ECR)离子推力器可满足微小航天器空间探测的推进需求. 为此, 本文开展直径20 mm的微型ECR离子源结构优化实验研究. 根据放电室内静磁场和ECR谐振区的分布特点, 研究不同微波耦合输入位置对离子源性能的影响, 结果表明环形天线处在高于ECR谐振强度的强磁场区域时, 微波与等离子体实现无损耦合, 电子共振加热效果显著, 引出离子束流较大. 根据放电室电磁截止特性, 结合微波电场计算, 研究放电容积对离子源性能的影响, 实验表明过长或过短的腔体长度会导致引出离子束流下降甚至等离子体熄灭. 经优化后离子源性能测试表明, 在入射微波功率2.1 W、氩气流量14.9 μg/s下, 可引出离子束流5.4 mA, 气体放电损耗和利用率分别为389 W/A和15%.     

电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积

本文叙述了电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积（ＥＣＲＰＣＶＤ）的工作原理、特点及其应用．ＥＣＲＰＣＶ Ｄ由放电室、淀积室、微波系统、磁场线圈、气路与真空系统组成．处于放电室的等离子体在磁场中做回旋运动，使电子的回旋运动频率与微波频率相同；处于回旋共振条件下的电子有效地吸收微波功率而获得高的能量，从而产生高活性和高密度的等离子体．电离度大于１０％，电子密度为１０１３ｃｍ３．ＥＣＲＰＣＶＤ可在低的气体流量、衬底不加热的情况下高速淀积高质量薄膜．以该技术淀积的Ｓｉ，Ｎ４，ＳｉＯ２薄膜可分别与高温ＣＶＤ的Ｓｉ３Ｎ４高温热氧化的ＳｉＯ２相比拟．ＥＣＲＰＣＶＤ淀积ａ－Ｓｉ：Ｈ淀积速率为通常ＣＶＤ的２０倍，而性能与射频ＣＶＤ淀积的ａ－Ｓｉ：Ｈ相当．ＥＣＲＰＣＶＤ 已成功用于淀积多种薄膜。     

电子回旋共振等离子体源的数值模拟

采用自洽微波功率吸收的二维混合模型,对电子回旋共振等离子体源中的各种物理参量(电离速率、等离子体密度、位势、电子温度)进行数值模拟.结果表明:等离子体参数随运行条件(中性气压和微波功率)变化呈现出区域特征、饱和现象和振荡行为等非线性现象 关键词：     

2 cm电子回旋共振离子源猝灭现象模拟

2 cm电子回旋共振离子推力器具有高比冲、长寿命的特点,其应用于引力波探测的可行性已经过初步探索.然而,在探究离子源推力下限的过程中发现,在极低功率(0.5 W)和极低流量(0.1 sccm, 1 sccm=1 L/min)的极限工作状态下,过度施加栅极电压可能引发离子源猝灭.采用实验手段对猝灭现象进行观测的难度很大,一方面因为猝灭现象具有随机性和瞬时性;另一方面,介入式诊断对弱放电水平的等离子体干扰很大,而光学诊断又有栅极系统阻挡.为此本文采用全粒子数值模型对离子源进行了一体化模拟,复现了猝灭现象.模拟结果表明,天线和放电室之间的双极扩散是导致离子源猝灭的最根本原因.明晰了猝灭机理后,本文提出了相应的改进措施,并用一体化模拟进行了理论验证.对猝灭机理的研究将为离子源的设计和应用提供理论依据,保障离子源安全稳定工作,满足引力波探测任务的推力需求.     

材料表面处理用强流电子回旋共振离子源

介绍一台2.45 GHz永磁强流电子回旋共振离子源,其外径160mm,高90 mm,放电室直径70 mm,高50 mm。微波馈入采用介质耦合方式,微波窗由一块f50 mm10 mm柱形BN和两块f30 mm10 mm的柱形陶瓷构成。离子源工作在脉冲模式下,采用三电极引出系统,最高引出电压达到100 kV,在微波输入功率300 W、进气量0.4 mL/min时,可引出峰值超过30 mA的氮离子束,在距离离子源引出孔1200 mm位置处的束流均匀区直径大于200 mm。     

Unstable plasma characteristics in mirror field electron cyclotron resonance microwave ion source

Electron cyclotron plasma reactor are prone to instabilities in specific input power [3–7] region (150–450 watts). In this region power absorption by gas molecules in the cavity is very poor and enhanced input power gets reflected substantially without increasing ion density. There are abrupt changes in plasma characteristics when input power was decreased from maximum to minimum, it was observed that reflected power changed from <2% to ∼50%. Minimum two jumps in reflected power were noticed in this specific power region and these appear to be highly sensitive to three stub tuner position in the waveguide for this particular input power zone. Unstable plasma region of this source is found to be dependent upon the magnetic field strength. Some changes in reflected power are also noticed with pressure, flow and bias and they are random in nature.     

微波电子回旋共振等离子体阴极电子束的实验研究

介绍了实验室研制的微波电子回旋共振(ECR)等离子体阴极电子束系统及初步研究结果，该系统包括微波ECR 等离子体源、电子束引出极、聚焦线圈等。通过测量水冷靶电流和靶上的束斑尺寸，实验研究了微波ECR 等离子体阴极电子束的流强、聚束性能等随电子束系统工作条件的变化。结果表明：微波输入功率越高、引出电压越高，引出电子束流强越大；工作气压对电子束流强的影响较复杂，随气压增加呈现出先降低后升高的特点；在7×10⁻⁴Pa 的极低气压下电子束流强可达75mA，引出电压9kV；能量利用率可达0.6；调整聚焦线圈的驱动电流，电子束的束斑直径从20mm 减小到13mm，电子束流强未有明显变化。     

Investigation about the modes in the cylindrical cavity of an ECR ion source

Both theoretical and numerical electromagnetic analyses about the modes inside the cylindrical cavity of superconducting electron cyclotron resonance ion source (SERSE) have been performed. Modes close to 14, 18 and 28 GHz frequencies, usually employed in SERSE operating conditions, have been calculated in vacuum and when the chamber is filled with a uniform non-collisional plasma at different electron densities. To consider the holes present in the chamber flanges, a numerical approach has been used, by means of the HFSS^TM electromagnetic simulator, for the first mode in the cavity. Modes in a plasma-filled cylindrical cavity with holed bases have full width half maximum bandwidths larger with regard to the closed cavity in vacuum, and it leads to an increased mode frequency overlap. A monochromatic electromagnetic wave feeding this cavity can, in principle, excite different modes. Further investigations about the coupling between the SERSE cavity and its feeding waveguides have to be performed.     

ECR ion source based low energy ion beam facility

Mass analyzed highly charged ion beams of energy ranging from a few keV to a few MeV plays an important role in various aspects of research in modern physics. In this paper a unique low energy ion beam facility (LEIBF) set up at Nuclear Science Centre (NSC) for providing low and medium energy multiply charged ion beams ranging from a few keV to a few MeV for research in materials sciences, atomic and molecular physics is described. One of the important features of this facility is the availability of relatively large currents of multiply charged positive ions from an electron cyclotron resonance (ECR) source placed entirely on a high voltage platform. All the electronic and vacuum systems related to the ECR source including 10 GHz ultra high frequency (UHF) transmitter, high voltage power supplies for extractor and Einzel lens are placed on a high voltage platform. All the equipments are controlled using a personal computer at ground potential through optical fibers for high voltage isolation. Some of the experimental facilities available are also described.     

离子通道电子束回旋脉塞的等离子体波效应

 研究了离子通道回旋电子束脉塞（ICECM）中的等离子体波非线性效应。利用流体理论与自洽非线性理论方法对ICECM中等离子体波效应的微观机理进行了分析。研究发现，等离子体波加强了电子束的纵向群聚，束-波互作用的能量交换效率及系统增益得到明显提高。数值模拟计算表明，对于中等等离子体密度、1.5kA电流和1MV加速电压的电子束，系统能够获得的脉冲功率和频率分别为200MW和280GHz的毫米波束。     

2cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟

电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离...     

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分析了朗缪尔探针在等离子体测量过程中的功率沉积密度,并初步计算了探针的温升,为强流离子源的探针诊断提供指导。